南方电力调度通信大楼结构设计.pdf

第7 期 2 0 0 5 年7 月 广东土木与建筑 GUANGD0NG ARCHI I ECTURE CI VI L ENGI NEERI NG N0 ． 7 J U L 2 0 0 5 南方电力调度通信大楼结构设计 梁艳 云 倪萍 ( 广 东省 建筑 设计研 究院 广 州 5 1 0 0 1 0 ) 摘 要 ： 作 为一 座 专业 功 能性 很 强的 复 杂 高层 建 筑 ， 为 了实现 其 建 筑设 计 方 案 的 构 思和 满 足 建 筑使 用功 能的 要 求 ， 结构设计根 据抗震理论 对其结构布 置、 构件材 料选择 等进行分析 比较 ， 并通 过振动 台试验验 证结 构抗 震性 能 。 关 键 词 ： 结 构抗 震设 计 ；振 动 台试 验 ； 转换 梁 ； 钢 管 混凝 土 柱 1工 程概 况 该 工 程 位 于广 州 市 珠 江新 城 ， 其 建筑 设 计 方 案 由 国外 某建 筑事 务所 完成 ．我 院承担施 工 图设 计 部 分。 该工程总建筑面积达 3 6 2 1 2 m ， 建筑总高度 9 4 m， 地 下室 共 3层 ． 平 面 尺 寸 为 5 1 ． 3 mx 7 4 ． 8 m， 首 层 以上 ( 包 括 夹 层 ) 共 2 1层 ， 塔 楼 平 面 为 正 方 形 ， 尺 寸 为 4 4 mx 4 4 m． 高宽比 ／ D= 2 ． 1 4 。地下 3层作为车库兼 战时 五级 人 防 、 设 备用 房 ， 地 下 1 、 2层 则 用作 车库 和 设备房。 层高分别为 4 ． O ， 4 ． 8 ， 4 ． O m， 首层大堂局部 5根 钢 管混凝 土柱 高 2 3 m， 2层 以上 为多功能 办公室 。 2结构体 系及 抗震 等 级 本工程主体结构采用带高位转换层的框架一 剪 力 墙 结构 ， 属 复杂 的 高层 建 筑结 构 ， 根据 《 建 筑 抗震 设 计规 范 》 、 《 中 国地震 动 参数 区划 图》 及 《 建筑 抗 震 设 防分 类 标 准》 ， 该 工 程属 乙类 建 筑 ， 7度 抗 震 ， 按 8 度抗震 措施设 计 。建筑物安 全等级 为一 级 ， 结构 构件 重要 系数取 1 ． 1 ． 框架及 剪力墙 抗震 等级均 为一级 。 l F F F 羽 田田目 日 墨 一 R 『=j 『=j 广 厂I广 1 厂 ]nr ] 量 『 l I I ：I r1 r ] 墓 [ [ 口 日 [ 1 ] 【5 l 量 } l 钢桁氯 ● 旺 、 l 誊 囊 ： [ 一 。r _ J 8 爿 钢 桁 架 ： f F 广rrr 『二 望 q 】 m硼∞【 l 0 l 6 2 ∞ 】 4 加9 1 ( 1 0 2 ． 1 结 构体 系 根据 已确 定 的 建筑 设 计 方案 ， 为 了满 足 其 平 面 功 能 布 置及 立 面 变化 需要 ， 结 构 平 面布 置 沿 竖 向大 体 分 为 3段 ： ( 1 )1 ～ 4层 ： 沿 西 、 北 角布 置 4 4 m x l 8 m 的“r ” 形 楼面 ． 东南侧周边布置直至 5层楼面 ， 2 3 m高的钢管 混 凝 土柱 形 成 大空 间 中庭 ． 在 建筑 物 中央 布 置 4个 独立 电梯 、 楼 梯井 形成 核 心筒 ， 刚度 中心偏 向东南 侧 ( 如 图 1 a ) 。 ( 2 )5 ～ 1 O层 ： 5层 为转 换 层 ( 如 图 2 b ) ， 5 ～ 7层 电 梯 井 与 4层 相 同 ， 8层 以上 取 消 西北 角 电梯 井 筒 ， 剪 力墙 刚度 中心 偏 向东 南 。 ( 3 )1 O层 以上 ：沿 东 ，南 侧 布 置 4 4 mx 1 8 m 的 “ - J” 形 楼 面 ， 与 1 ～ 4层 “r ” 相 对 应 ， 西 、 北 侧 收 进 ， 如 图 1 b所 示 各 层 梁 、 板 结 构 布置 除 中部 核心 筒 周 围特殊 处 理外 ， 其余均按规则井字梁布置。 5层结构转换层采 用梁式转换 ． 为使荷载均匀传递到周边钢管混凝土 柱上 ， 转 换 梁平 面布 置为斜 向交叉 梁 系 ， 为 满足 建筑 要求 ， 7 ～ 1 O层 逐 层抽 去个 别 柱 ，在 1 O层 形成 1 8 mx 2 7 m大 空 间 ， 此 部分 大跨 度 梁采用 有 粘结 预应 力梁 。 ( b )5层( 结构转换层 ) 图 1结 构 平 面 图 口 口 [ 日 田 ] 口 r _ 1 r _ 1 r _ ] 彳 ]厂I 厂 基 旷 _ T ] 一 ＼ ． 一 # }_{ 囡 2 ： l I ] 董 【 l 4 i 0 1 lr 牛 l I r ] 厂 [ Ⅲl H I H l i l 且 9 I ：工 Ⅱ I J a 1 m h I嫡 I m n I (1 llift 维普资讯 2 0 0 5 年7 月 第7 期 梁艳云 等： 南 方电力 调度通 信大楼结 构设 计 J U L 2 0 0 5 N o ． 7 本工程结 构质量分布及 刚度竖 向分布较不均 匀 ，其 质量 中心在 1 ~ 4层偏 向西北 ， 5 ～ 1 O层 大 致居 中， 再往上则偏向东南 ， 总体上较多集中于东南 ， 连 同该部位5 ～ 1 O层质量靠高位转换层 向下传递 ， 刚 度 沿 竖 向变 化 上刚 下柔 ， 中庭局 部 刚度 削弱 较多 。 对于这种复杂高层结构 ， 我们采用了不同模型 的程 序 T B S A 5 ． 0 、 S A T WE进 行 计算 。 其结 果均 能 满 足《 高规》 和《 抗震规范要求》 ， 但在地震作用下计算 结 果显 示较 大 的扭 转效 应 。 为 了验证 并 达到 优化 设 计 的需 要 ． 在 业 主 的 大力 支 持 下 ， 我 们 委 托 同济 大 学 震动 台实 验 室于 2 0 0 2年 3月 进行 了结 构 模 型抗 震 试验 。结 果显 示 ． 原 型结 构 能满 足 我 国现 行抗 震 规 范 “ 小 震 不坏 ” 和 “ 大震 不 倒 ” 的抗 震 标 准 ． 但结 构 具 有 较 明 显 的 扭 转 效 应 ． 对抗 震 不 利 。根 据 试 验 情 况 ． 经 多 次 与建 筑专业协商 ， 决定将其 结构布置调整为 ： 增加 周 边 框架 梁 梁 高 ． 并 在 西 南 、 东 西 两 角 沿立 面 增 加 斜 撑 ( 如 图 2 ) ， 增 强 建 筑 物 的抗 扭 刚 度 。 经 反 复验 算 和 分 析 ， 扭 转效应得到 明显改善 ． 以 扭 转 为 主 的 第 1自 图2 斜撑结构布置图 振周期与以平动为主的第 1自振周期之比 r ,／ r ． < 0 ． 8 ， 满足新《 高规} ( J G J 3 — 2 0 0 2要求 ) 。 3 转换 层设 计 本 工 程结 构 主要 薄弱 部 位 是第 5层 转 换 层 ， 为 了加强该层结构刚度和整体性 ． 提高转换构件的强 度 ． 设计时对该层及其上 、 下层采取 了加强措施 ， 即 4 ～ 6层采用 C 4 0混凝土 ， 5层楼板厚 2 0 0 ra m， 转换大 梁处局部 楼板厚 3 0 0 ra m， 上 下双 向配 通长加 强筋 1 2 @1 5 0 ， 4 、 6层 楼 板厚 1 5 0 ra m 且 同样 设 通 长加 强 筋 。 转换大梁采用普通钢筋混凝土梁 ， 截面 1 0 0 0 x 2 6 0 0 ， 梁端分别支承在剪力墙 和钢管混凝 土柱上 ． 转换大 粱 配筋 除 按计 算 要 求 配置 足 够 主筋 外 ， 还 按构 造 增 加 了一 定 数 量 的箍 筋 和腰 筋 。 不 仅 加 强 了 转换 梁 的 整体性 ， 提高了承载力 。采用梁式转换层方案 ， 主要 是考虑其受力明确 ， 结构合理 ， 构造简单 ， 施工方便 且造价较低等优点。 1 2 4 钢 管 混凝 土柱设 计及 节点 处 理 4 ． 1 首 层 大堂 是建 筑 物 的重 要部 分 ． 建 筑 师对 其周 边 柱 尺寸有 严格 的限制 ． 为 了满 足建 筑需 要 ． 达到 预 期的效果 ， 我们进行 了分析比较 ： 若采用普通钢筋混 凝 土 柱 ， 抗震 等 级 为 一级 ， 轴 压 比 O ． 7 5 ， 则 柱 截 面将 很 大 ； 若 采用 钢 骨混 凝 土柱 ， 则施 工较 麻烦 。经 认真 研 究 比较 ． 我们 决定 5根 柱采 用 钢管 混凝 土柱 ， 直径 1 ． 1 m， 壁 厚 2 2 mm， 混凝 土强 度 等级 为 C 6 0 ， 其优 势在 于钢管 的约束作用使管 内混凝 土处于三 向受压状 态 ． 提 高 了柱 的承 载力 、 延性 及 抗 震 性 能 ． 柱 截 面 比 普 通钢 筋混 凝 土柱小 ， 增 大 了建筑 物有 效 面积 ， 使建 筑 空 间效果 更 突 出 ． 且 施 工速 度更 快 。 钢 管混 凝土 柱计 算 参数 为 ： 弯矩 M= 3 5 4 4 k N m， 轴 力 N= 2 2 2 9 7 k N， 直 径 1 ． 1 m， 壁 厚 2 2 mm， C 6 0混 凝 土， ． = 2 7 ．5 N ／ ra m 2 。按照《 钢管混凝土结构设计与施 T规程》 ( C E C S 2 8 ： 9 0 ) 进行以下计算 ： ( 1 )偏心率影响系数 ： e o = M／ N = 3 5 4 4 ／ 2 2 2 9 7 = 0 ． 1 5 8 9 ， r c ： ( 1 ． 1 — 0 ．0 2 2 x 2 ) ／ 2 = 0 ．5 2 8 ， e 0 ／／ r c= 0 ．3 0 1 < 1 ．5 5 ， 则： = 1 ／ ( 1 + 1 ． 8 5 x e o ／ ／ r c ) = 0 ． 6 4 2 3 (2 ) 长细比影响系数： lo = 2 2 m， e o／ r = O ．3 0 1 4 ， 则： 1 = 1 — 0 ． 1 1 5 x ／ t J a - 4 = O ． 5 9 7 6 (3 ) 径厚比d ／ t = 1 l O O ／ 2 2 = 5 o ，长细比l ~ ／ d = 2 2 ／ 1 ． 1 =2 0 ， 则 钢管 混凝 土套 箍指 标为 ： ： = 2 7 5 x ~ r x 0 5 6 ／ 4 9 3 l A ． 1 ． ) ⋯ Ⅳ = 2 2 2 9 7 k N． 满 足设计 要 求 。 4 ． 2保证 转换大梁梁端剪力和弯矩可靠地传递到 柱子上 ， 是本工程结构设计的难点之一 ， 如在钢管壁 上开洞使梁内钢筋都穿过钢管壁伸人柱内． 则会削弱 钢管的套箍作用 ， 且施工质量难 以保证 。 设计 中将转 换 大梁梁底 放 在 钢管 柱顶 标高 处 ．梁柱 节 点 区采用 普通钢筋混凝土柱 ， 中间加 0 5 o o钢管芯柱 ， 梁筋直 接锚人柱内( 如图 3 ) ， 避免在钢管壁上开洞或焊接 ， 整 体性好 ， 传力明确 ， 施工简便 ， 能满足结构设计要求。 维普资讯 2 0 o 5 年7 月 第7 期 广 东土木与 建筑 J I J L 2 0 o 5 N o ．7 5结 束语 k 1 0 0 钢管砼柱( # 吓 形箍筋5 ~ 1 2 8 首 层 - 0 j m ( - 0 3 5 m J＼ 首 层 - 0 j m ( - 0 3 5 Ⅲ ) ＼ f 摹 奏 柱纵筋 ／ 量 钢板(f = 2 衄J 第2 次浇 砼 ● 钢 { _ 一 3 ＼ 柱脚锚板~ 1 2 0 0 I 第1 次浇 砼 锚筋5 虫2 5 —／ ， 5 0 图 3钢管混凝土柱节点平面及大样图 本 工程 结 构设计 通 过多 程序 计算 分 析和震 动 台 试 验 ， 并 采 用加 斜撑 增 强结构 抗扭 刚度 ， 改善结 构 的 抗 震 性能 ， 转 换 大 梁 与钢 管 混 凝 土柱 连 接 节 点构 造 简单 ， 安全可靠 ， 该T程主体结构现已顺利封顶 。 鼙 ! ( 上接第 2 2页 ) 固结度 推算 可根 据 实测 沉降 量或 孔 隙水压 力推 算参 数 值 ， 由此求 出固结度 ： =I n [ ( s 2 一 s 1 ) ／ ( s 3 一 S 2 ) ] ／ ( t 2 一 t 1 ) =l n ( ／ a 。／ 2 ) ／ ( ￡ 2一 t 。 ) 式 中 ： ／ 1 。 、 ／ 1 为相 应 时间 t 、 t 。 的实测 孑 L 隙 水压 力值 。 3施工 效 果 3 ． 1 本工 程实 测沉 降量 为 0 ． 7 4 ～ 2 ． 5 7 m， 平 均 1 ． 4 6 m． 与设 计 估 算值 基 本 相符 ． 卸 载前 各 测 点 沉 降 曲线 趋 于稳 定 。 3 ． 2 完 工 后应 根 据沉 降 和孔 隙水 压 力监 测 数据 ， 推 算固结度为 8 0 ％～ 9 5 ％之间 ， 平均达 8 5 ％的要求。 3 ． 3 根 据 完工 后 地 质 勘 探 报 告 显 示 ，与 处 理 前 比 较 ， 天然 含 水 量 、 孔 隙 比 、 压缩 模 量 等参 数 均 有 明 显 改善 ， 软土 层呈 固结 或 超 固结 状 态 。 3 ．4根 据完 工 近两 年来 的监测 ， 本工 程 _T后 沉 降较 小 ， 满足软基处理要求。 萤 苏 柱 硬 + 一 5 层 加 密 区 为 l 2 ^ ( 梁 高 ) 梁底筋 第2 { Ij 浇筑砼 第1 次浇筑砼 参考文献 5 0 0芯 柱 螺 旋筋 钢 管 硬+ 丝 钢管砼柱封 顶板(# 撕 皿 ) + } m 0 0 钢管砼柱 1 中国南方电力调度通信 大楼 结构模型模拟地震 振动 台试 验研究报告．同济大学 土木工程学 院结构工程 与防灾研 究所 2 C E C S 2 8 ： 9 0钢管混凝土结构设计与施工规程 3 J G J 3 - 2 0 0 2高层建筑混凝土结构技术规程 4结论 4 ． 1 南沙 地 区具有 软弱 土层厚 度大 、 地 质差 的特点 ， 采用 深层搅 拌 桩等 其 它软基 处 理方 法 ，均 因处 理效 果不理想或造价较高而不适用 ， 而堆载预压法处理 则效 果较 好且 造 价较 低 。 4 ． 2一般情况下 ， 堆载预压法工期较长 ， 本工程通 过 采用较大超载和较密布置的塑料排 水板 ， 并通过 引 入每 米 软 土层 厚 度 日沉 降 量 的 概念 ， 同时 考虑 瞬 时 沉降 和三 轴 受 压 的影 响 ， 将 日沉 降 量 控 制适 当放 宽 ， 在 1 0 0天 左右 成功 完成 了软 基 处理 施工 ， 具 有较 大 的示 范 作用 。 4 ． 3 由 于施 工 工 期 短 ， 加 载 速 度快 ， 施 工 监 测 成 为 施 工 指导 必不 可少 的手段 。 参考文 献 1 林宗元 主编．岩 土工程治理手册．沈 阳： 辽 宁科学技 术出 版 社 ． 1 9 9 3 2 叶书鳞主编．地基处理 工程实例应用手册．北京 ： 中国建 筑 工业出版社 ． 1 9 9 8 3 李 信广．真空联合堆载 预压加 固软土地基 的理论 和实践． 中国岩石力学 与工程学会第六 次学 术大会 ． 2 0 0 0 】 3 维普资讯